High-Availability Seamless Redundancy

High-Availability Seamless Redundancy (HSR) ist eine Weiterentwicklung des PRP-Ansatzes

HSR (Nahtloser Hochverfügbarkeits-Ring) fungiert in erster Linie als Protokoll zur Schaffung von Medienredundanz, PRP (Parallel Redundancy Protocol, Parallelredundanz-Protokoll) schafft Netzwerkredundanz, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben. Die beiden Protokolle PRP und HSR werden in der Norm IEC 62439 3 beschrieben. Anders als PRP ist HSR in erster Linie für die Verwendung in (redundant gekoppelten) Ringtopologien konzipiert. Wie PRP nutzt HSR zwei Netzwerkports, aber im Gegensatz zu PRP beinhaltet eine HSR-Verbindung einen DAN H (doppelt angeschlossener Knoten für HSR), der die beiden Schnittstellen zu einem Ring verbindet (siehe Abbildung – HSR-Ringnetz). Ein Rahmen aus der Anwendung erhält durch die HSR-Verbindung ein HSR-Tag.
Wie der PRP RCT enthält es die Länge der Benutzerdaten, den Port, der sie übertragen hat, und die laufende Nummer des Rahmens.

Im Gegensatz zu PRP wird der HSR-Header jedoch zur Kapselung des Ethernet-Frames verwendet. Dies hat den Vorteil, dass Duplikate aller Frames in allen Geräten erkannt werden, sobald der HSR-Header empfangen wurde. Ein Duplikat wird sofort als solches erkannt, es ist nicht erforderlich zu warten, bis der gesamte Rahmen und sein RCT empfangen wurden. Das bedeutet, dass einzelne HSR-Verbindungen und RedBoxen ähnlich wie beim Cutthrough-Switching mit der Weiterleitung des Frames an den zweiten Ringport beginnen können, sobald der HSR-Header vollständig empfangen wurde und eine Duplikaterkennung erfolgt ist.

Jeder HSR-Knoten nimmt alle Rahmen, die nur an ihn adressiert sind, aus dem Netzwerk und leitet sie an die Anwendung weiter. Multicast- und Broadcast-Nachrichten werden von jedem Knoten im Ring übermittelt und ebenfalls an die Anwendung weitergeleitet. Um eine endlose Zirkulation der Multicast- und Broadcast-Rahmen zu verhindern, entfernt der Knoten, der den Multicast- oder Broadcast-Rahmen ursprünglich auf dem Ring platziert hat, diesen nach Abschluss eines Zyklus (siehe HSR-Datenfluss in Abbildung – HSR-Ringnetz).

HSR-Ringnetz

Anders als bei PRP ist es nicht möglich, SAN-Knoten direkt in ein HSR-Netzwerk zu integrieren, ohne den Ring zu unterbrechen: einem SAN fehlt die erforderlich zweite Netzwerkschnittstelle für einen geschlossenen Ring. Dies ist ein Grund, warum SAN nur über Redundanzboxen mit HSR-Netzwerken verbunden werden können. Der zweite Grund ist die Kapselung des Datenverkehrs auf dem Ring, die von dem HSR-Header bewirkt wird. Anders als bei PRP verhindert dies, dass sich normale Netzwerkknoten am HSR-Datenverkehr beteiligen. Während SAN-Knoten die PRP-RCT als Füllung interpretieren, ist dies für das HSR-Tag nicht möglich: Seine Position im Rahmen bedeutet, dass es immer als gültige Layer-2-Rahmeninformation interpretiert wird. Dadurch können SAN-Knoten die Benutzerdaten dieses Rahmens nicht korrekt auslesen.

Da einige HSR-Geräte zu Konfigurations- und Diagnosezwecken mit einer Management-Station oder einem Notebook kommunizieren müssen, werden bei HSR-Verbindungen temporär Geräte akzeptiert, die Standard-Ethernet-Frames übertragen, selbst an Ringports. In diesem Fall kommunizieren die HSR-Verbindungen ohne HSR-Kopfzeilen-Kapselung, obwohl dieser Datenverkehr nicht an das HSR-Netzwerk übermittelt wird. Dadurch wird lediglich eine bidirektionale Kommunikation zwischen der konfigurierenden Managementstation an einem HSR-Port und dem HSR-Gerät ermöglicht. Die reguläre HSR-Kommunikation wird erst nach dem Schließen des Rings fortgesetzt. Kopplungen zwischen zwei HSR-Ringen werden immer mit Hilfe zweier Ringkopplungselemente, sogenannten QuadBoxen, realisiert. Diese vereinfachen die Kopplung zwischen zwei HSR ohne einen einzelnen Ausfallpunkt (siehe Abbildung – Gekoppelte HSR-Ringe (Auszug nach IEC 62439 3)).

Hinsichtlich der Umschaltzeiten verhält sich HSR genau wie PRP: Durch das Senden von doppelten Rahmen von beiden Ports einer HSR-Verbindung wird auch bei einem Ausfall ein Rahmen über den noch intakten Netzwerkpfad übertragen.

Das bedeutet, dass die Redundanz wiederum ohne Umschaltzeit funktioniert und im Gegensatz zu PRP keine zwei parallelen Netzwerke benötigt. Ein HSR-Netz hat jedoch immer die Form eines Rings oder einer Struktur aus gekoppelten Ringen. Somit ist es in der Installationsphase weniger flexibel als PRP.

Die doppelte Übertragung von Rahmen in beide Richtungen bedeutet auch, dass effektiv nur 50 % der Netzwerkbandbreite für den Datenverkehr zur Verfügung steht.

Gekoppelte HSR-Ringe (Auszug nach IEC 62439 3)